Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong thực hành lâm sàng tại các cơ sở y tế, tiêm truyền tĩnh mạch là kỹ thuật đóng vai trò cốt lõi nhằm đưa thuốc, dịch dinh dưỡng, hóa chất điều trị hoặc máu vào cơ thể người bệnh. Phương pháp tiêm truyền thủ công truyền thống phụ thuộc hoàn toàn vào thao tác cơ học của nhân viên y tế, dễ phát sinh rủi ro do sai sót về tốc độ dòng chảy, thể tích phân liều không đồng đều hoặc khó duy trì nồng độ thuốc ổn định trong huyết tương trong thời gian dài. Bơm tiêm điện (Syringe Pump) ra đời như một giải pháp thiết bị y tế chuyên dụng cho phép kiểm soát chính xác lưu lượng và thời gian tiêm truyền, đặc biệt hữu ích khi kết hợp nhiều loại thuốc hoặc điều trị các bệnh mãn tính cần truyền liên tục với tốc độ chậm.

Theo báo cáo thị trường "Syringe Pumps Market Size & Share Analysis - Growth Trends & Forecasts (2024 - 2029)", thị trường thiết bị bơm tiêm điện toàn cầu được dự báo duy trì tốc độ tăng trưởng kép hàng năm (CAGR) ở mức 7% trong giai đoạn 2022 - 2027. Động lực chính đến từ sự gia tăng các bệnh lý tim mạch, hô hấp, thần kinh và nhu cầu phẫu thuật. Tuy nhiên, các dòng máy bơm tiêm điện trên thực tế vẫn đối mặt với các vấn đề kỹ thuật: sự chậm trễ phân phối thuốc do thời gian khởi động, tốc độ dòng chảy thiếu ổn định ở dải vận tốc thấp, và hệ thống cảnh báo tắc nghẽn (occlusion alarm) phản ứng không kịp thời dẫn đến gián đoạn quy trình điều trị. Các nghiên cứu trước đây như của Rakibul Islam và cộng sự (phát triển bơm tiêm điện giá rẻ tích hợp module GSM cho y tế từ xa với sai số ±5%), Debra Pollard và cộng sự (2017 - ứng dụng bơm tiêm điện phân liều bolus rFVIIa trong phẫu thuật hemophilia), hay Mahrus Bawafie bin Mhd Harip và Suryani binti Ilias (2022 - ứng dụng nền tảng IoT Blynk cảnh báo kết thúc truyền dịch) đã mở ra hướng tiếp cận tự động hóa và điều khiển không dây.

Từ bối cảnh đó, đề tài "Thiết kế và thi công máy bơm tiêm điện điều khiển thông qua ứng dụng trên điện thoại thông minh" được thực hiện bởi sinh viên ngành Kỹ thuật Y sinh, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.

Mục tiêu nghiên cứu:

  • Thiết kế và thi công hoàn chỉnh mô hình phần cứng máy bơm tiêm điện có khả năng vận hành ổn định, phân phối thể tích chính xác.
  • Lập trình ứng dụng trên điện thoại thông minh chạy hệ điều hành Android nhằm thiết lập thông số thời gian, thể tích tiêm và gửi lệnh điều khiển không dây đến thiết bị.
  • Xây dựng cơ chế an toàn tích hợp: cảm biến phát hiện sự hiện diện của ống tiêm trước khi bơm và cảm biến lực đo áp lực lòng ống để đưa ra cảnh báo tắc nghẽn tức thời.

Nội dung và nhiệm vụ nghiên cứu:

  1. Tìm hiểu các tài liệu nghiên cứu, nguyên lý hoạt động của các dòng máy bơm tiêm điện thương mại trên thị trường (như TERUMO TE-SS700, Perfusor Compact, SUN 500, PG 907s).
  2. Tìm hiểu và nghiên cứu thiết kế mạch điều khiển trung tâm cho thiết bị.
  3. Tìm hiểu và nghiên cứu thiết kế ứng dụng điều khiển trên điện thoại thông minh Android.
  4. Lập trình điều khiển động cơ bước chính xác, thiết lập giao thức truyền nhận dữ liệu giữa điện thoại và phần cứng.
  5. Thi công bo mạch phần cứng, thiết kế và chế tạo khung vỏ mô hình cơ khí.
  6. Chạy thử nghiệm thực tế, đo đạc thông số, kiểm tra sai số và hiệu chỉnh hệ thống.
  7. Viết báo cáo khóa luận và bảo vệ đồ án tốt nghiệp.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống cơ - điện tử - y sinh của máy bơm tiêm điện tự động, cơ chế truyền động vitme - thanh trượt, mạch điều khiển vi xử lý và phần mềm điều khiển trên di động.
  • Phạm vi kỹ thuật: Sử dụng loại ống tiêm chuẩn dung tích 10 ml (10 cc); kết nối không dây tầm gần thông qua sóng Wi-Fi (chuẩn giao thức HTTP); ứng dụng xây dựng trên nền tảng Android.
  • Phạm vi thời gian & không gian: Đề tài thực hiện từ ngày 26/02/2024 đến ngày 24/06/2024 tại Bộ môn Điện tử Công nghiệp – Y sinh, Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.
  • Giới hạn ứng dụng: Thiết bị và ứng dụng được phát triển ở quy mô mô hình nghiên cứu thử nghiệm trong phòng lab, chưa thực hiện thử nghiệm lâm sàng và chưa được chứng nhận tiêu chuẩn để sử dụng trực tiếp trên cơ thể người.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận kết hợp giữa lý thuyết kỹ thuật y sinh, cơ điện tử và kỹ thuật lập trình hệ thống nhúng.

Khung lý thuyết và mô hình kỹ thuật

  • Nguyên lý truyền động cơ khí chính xác: Sử dụng động cơ bước kết hợp cơ cấu trục vít me (lead screw) và đai ốc để chuyển đổi chuyển động quay tròn của rotor thành chuyển động tịnh tiến tuyến tính của thanh đẩy piston. Động cơ bước cho phép kiểm soát góc quay rời rạc theo từng xung cấp, loại bỏ sai số tích lũy của động cơ DC thông thường.
  • Kỹ thuật điều khiển vi bước (Microstepping): Để giảm thiểu hiện tượng rung giật ở tốc độ thấp và nâng cao độ phân giải dịch chuyển, kỹ thuật vi bước điều chế dòng điện qua hai cuộn dây pha của stator, chia nhỏ góc bước cơ bản của động cơ bước.
  • Nguyên lý cảm biến áp lực áp điện trở (FSR - Force Sensing Resistor): Cảm biến FSR hoạt động dựa trên sự thay đổi điện trở bề mặt dưới tác động của ngoại lực. Khi lực ép tăng, các hạt dẫn điện nén lại làm giảm điện trở cảm biến ($R_{FSR}$), từ đó làm thay đổi điện áp đầu ra trong mạch phân áp.
  • Nguyên lý quang điện tử nhận biết vật cản: Sử dụng cặp thu phát hồng ngoại so sánh tín hiệu điện áp phản xạ qua IC LM393 để tạo ngõ ra logic (0V khi có vật cản, 5V khi không có vật cản).
  • Mô hình kiến trúc mạng Client - Server qua giao thức HTTP: ESP32 đóng vai trò là một HTTP Web Server hoạt động ở chế độ Access Point (AP). Ứng dụng di động (Client) kết nối vào mạng Wi-Fi cục bộ này và gửi các lệnh điều khiển, tham số phân liều dưới dạng các bản tin HTTP Request (phương thức GET/POST).

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp tính toán giải tích và mô hình hóa:
    • Thiết lập công thức động học liên hệ giữa bước ren trục vitme, góc bước động cơ, hệ số vi bước và thể tích tiêm thực tế trên ống tiêm 10 ml.
    • Tính toán phân áp cho cảm biến áp lực và xác định ngưỡng điện áp ngõ ra tương ứng với giới hạn áp lực tắc nghẽn 0,14 bar.
    • Tính toán cân bằng công suất và dòng điện tiêu thụ toàn tải để lựa chọn nguồn cấp và thiết kế mạch hạ áp ổn định.
  • Phương pháp thiết kế và mô phỏng trên phần mềm:
    • Mô phỏng và thiết kế sơ đồ nguyên lý trên Proteus.
    • Thiết kế bản vẽ mạch in PCB trên phần mềm Autodesk Eagle.
    • Dựng mô hình 3D kết cấu khung vỏ, cơ cấu trượt dẫn hướng và vị trí gá đặt linh kiện trên Solidworks.
  • Phương pháp chế tạo - thi công thực nghiệm:
    • Gia công mạch in một lớp bằng phương pháp ủi nhiệt và ăn mòn hóa học (dung dịch axit), khoan lỗ và hàn linh kiện thủ công.
    • Gia công khung vỏ máy bằng vật liệu tấm Mica (độ dày 3 mm và 5 mm) bằng kỹ thuật cắt laser và liên kết cơ khí (ke góc L, bu-lông, ốc vít M3).
  • Phương pháp thực nghiệm kiểm chứng:
    • Thực nghiệm đo đạc thể tích dung dịch nước bơm thực tế ở các mốc thông số: bơm 2 ml trong thời gian 1 phút và bơm 2 ml trong thời gian 5 phút.
    • Thực nghiệm kiểm tra ngưỡng phản hồi của cảm biến áp lực khi cố tình tạo trạng thái nghẽn đầu ra ống tiêm để ghi nhận giá trị biến đổi ADC.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Kiến trúc phần cứng và sơ đồ khối

Hệ thống phần cứng máy bơm tiêm điện được cấu thành từ 7 khối chức năng liên kết chặt chẽ:

[Khối Nguồn (Adapter 12V-3A + LM7805)]
[Khối Động cơ & Driver]                 [Khối Vi điều khiển]    [Khối Làm mát]
(Nema 17 + DRV8825)                     (ESP32 NodeMCU)         (Quạt 12V)
[Thanh đẩy & Ống tiêm 10ml]             [Khối Hiển thị]        [Khối Cảnh báo]
  • Khối Nguồn: Nhận nguồn chính 12VDC từ Adapter 12V - 3A. Nguồn 12V cấp trực tiếp cho module công suất DRV8825 và quạt tản nhiệt. Nguồn 12V đi qua mạch hạ áp IC ổn áp L7805CV kèm hệ tụ lọc nhiễu C1, C2, C3 để tạo ra điện áp 5VDC ổn định nuôi vi điều khiển ESP32, các cảm biến, LCD, còi báo và đèn LED.
  • Khối Vi điều khiển trung tâm (ESP32 NodeMCU LuaNode32): Sử dụng vi xử lý ESP32-WROOM-32, chip giao tiếp UART CP2102, bộ nhớ 520 KB RAM, 448 KB ROM, tích hợp Wi-Fi 802.11b/g/n và Bluetooth BLE.
  • Khối Động cơ và Mạch công suất:
    • Động cơ bước lai Nema 17 (mã 17HS1538-1704A): 4 dây, góc bước $1,8^\circ$ (200 bước/vòng ở chế độ full-step), mô-men xoắn giữ 0,45 Nm, dòng định mức 1,7A/pha, điện trở pha 2,1 $\Omega$.
    • Mạch điều khiển động cơ DRV8825: Điện áp cấp 8,2 - 45V, hỗ trợ dòng tối đa 2,5A, cho phép vi bước ở các tỷ lệ $1, 1/2, 1/4, 1/8, 1/16, 1/32$.
  • Khối Cảm biến:
    • Cảm biến lực FSR402: Dải đo 100g - 10kg, đường kính vùng cảm ứng 1,27 cm, mắc nối tiếp với điện trở kéo xuống $R_M = 10\text{ k}\Omega$ tạo cầu phân áp đưa vào chân ADC của ESP32.
    • Module hồng ngoại LM393: Góc quét $35^\circ$, khoảng cách điều chỉnh 2 - 30 cm, đặt tại gá đỡ ống tiêm để kiểm tra trạng thái lắp đặt trước khi vận hành.
  • Khối Hiển thị và Cảnh báo:
    • Màn hình LCD 20x4 kết hợp module chuyển đổi giao tiếp I2C PCF8574T (địa chỉ 0x27) giúp tiết kiệm chân I/O.
    • Còi buzzer 5V phát âm thanh cảnh báo ngắt quãng khi có lỗi.
    • LED chỉ thị trạng thái mắc nối tiếp điện trở hạn dòng 180 $\Omega$.
  • Khối Nút nhấn phần cứng: Gồm 3 nút nhấn vật lý cấu hình điện trở kéo: START (bắt đầu bơm), STOP (tạm dừng) và RESET (đặt lại các thông số ban đầu).

Cấu hình chân kết nối vi điều khiển ESP32

Hệ thống gán chân I/O trên ESP32 được thiết kế như sau:

Chân ESP32 Linh kiện / Khối chức năng Mô tả chức năng
G35 Module cảm biến hồng ngoại Đọc trạng thái hiện diện ống tiêm (Input)
G34 Cảm biến lực FSR402 Đọc điện áp phân áp qua ADC đo áp lực (Analog Input)
G25 Nút nhấn START Kích hoạt chu trình bơm tiêm (Input)
G26 Nút nhấn STOP Tạm dừng chu trình bơm tiêm (Input)
G27 Nút nhấn RESET Khởi tạo lại trạng thái hệ thống (Input)
G21 (SDA) Module I2C màn hình LCD Đường truyền dữ liệu I2C
G22 (SCL) Module I2C màn hình LCD Đường xung nhịp xung I2C
G19 Chân ENABLE (DRV8825) Kích hoạt/Vô hiệu hóa tầng công suất Driver
G18, G5, G17 Chân M0, M1, M2 (DRV8825) Cấu hình chế độ vi bước (1/32)
G14 Chân DIR (DRV8825) Chọn chiều quay động cơ (Tiến/Lùi)
G12 Chân STEP (DRV8825) Cấp xung điều khiển bước quay động cơ
G4 Đèn LED cảnh báo Xuất tín hiệu nháy LED khi xảy ra lỗi (Output)
G16 Còi Buzzer Xuất tín hiệu còi hú cảnh báo (Output)

Tính toán kỹ thuật và thông số động học

1. Cân bằng công suất toàn hệ thống

Để đảm bảo nguồn cấp ổn định, tác giả đã lập bảng tính toán dòng tiêu thụ ở các mức điện áp:

STT Tên linh kiện Số lượng Điện áp hoạt động (VDC) Dòng điện mỗi linh kiện (mA) Tổng dòng tiêu thụ (mA)
1 Điện trở chân nút nhấn 3 5 0,5 1,5
2 ESP32 NodeMCU 1 5 80 80
3 Cảm biến lực FSR402 1 5 0,5 0,5
4 Cảm biến hồng ngoại 1 5 43 43
5 LCD 20x4 + I2C 1 5 8 8
6 Đèn LED 1 3,2 10 10
7 Còi Buzzer 1 5 22 22
8 Driver DRV8825 + Nema 17 1 12 2200 2200
9 Quạt tản nhiệt 1 12 90 90
Tổng Tổng dòng tiêu thụ nhánh 5V - - - 165 mA
Tổng Tổng dòng tiêu thụ nhánh 12V - - - 2290 mA
Tổng Tổng dòng tiêu thụ toàn mạch - - - 2455 mA

Với tổng dòng cực đại khoảng 2,455A, việc sử dụng Adapter 12V - 3A (công suất danh định 36W) đáp ứng hệ số an toàn cho hệ thống.

2. Hiệu chỉnh điện áp tham chiếu ($V_{ref}$) Driver DRV8825

Để tránh động cơ bị quá nhiệt và tăng tuổi thọ cuộn dây, dòng làm việc tối đa được thiết lập ở mức 80% dòng danh định ($I_{FS} = 80% \times 1,7\text{A} = 1,36\text{A}$). Với độ lợi Driver $A_v = 5$ và điện trở shunt $R_{SENSE} = 0,1\ \Omega$: $$V_{ref} = I_{FS} \times A_v \times R_{SENSE} = 1,36 \times 5 \times 0,1 = 0,68\text{ V}$$ Biến trở tinh chỉnh trên module DRV8825 được hiệu chỉnh để đạt chính xác mức $V_{ref} = 0,68\text{V}$.

3. Tính toán động học cơ cấu đẩy và tần số xung

  • Cấu hình vi bước: Lựa chọn chế độ 1/32 bước.
    • Số bước trên 1 vòng quay: $N = 200 \times 32 = 6400\text{ bước/vòng}$.
    • Góc quay mỗi bước: $S = 360^\circ / 6400 = 0,05625^\circ$.
  • Cơ cấu trục vitme: Trục T8 có bước ren $\lambda = 8\text{ mm/vòng}$.
    • Số bước động cơ cần quay để đai ốc tịnh tiến 1 mm: $$B = \frac{360^\circ}{\alpha \times \lambda \times m} = \frac{360^\circ}{1,8^\circ \times 8 \times \frac{1}{32}} = 800\text{ bước/mm}$$
  • Quy đổi thể tích ống tiêm 10 ml: Đo đạc thực nghiệm cho thấy 1 ml dung dịch tương ứng với hành trình tịnh tiến 5 mm của piston.
    • Số bước để bơm 1 ml: $800\text{ bước/mm} \times 5\text{ mm} = 4000\text{ bước/ml}$.
    • Để bơm thể tích $A$ (ml), tổng số bước xung cần phát là: $N_{steps} = 4000 \times A\text{ (bước)}$.
  • Tính toán thời gian trễ giữa hai bước xung ($t$):
    • Số vòng quay để bơm 1 ml: $5 / 8 = 0,625\text{ vòng/ml}$.
    • Với thể tích $A$ (ml) và thời gian truyền cài đặt $B$ (phút), vận tốc quay động cơ: $$V = \frac{A \times 5}{B \times 8}\text{ (vòng/phút)}$$
    • Tổng số bước phát trong 1 phút là: $V \times 6400\text{ bước}$.
    • Chu kỳ phát xung giữa hai bước: $$t = \frac{1\text{ phút}}{V \times 6400} = \frac{60000\text{ ms}}{\frac{A \times 5}{B \times 8} \times 6400} = \frac{15 \times B}{A}\text{ (ms)} = \frac{15000 \times B}{A}\text{ (}\mu\text{s)}$$

4. Xác định ngưỡng áp lực cảnh báo tắc nghẽn

Nhóm tác giả chọn ngưỡng áp lực cảnh báo tắc nghẽn là $P = 0,14\text{ bar} = 14000\text{ N/m}^2$.

  • Tiết diện tiếp xúc của cảm biến FSR402 đường kính $d = 13\text{ mm} = 0,013\text{ m}$: $$S = \pi \times \left(\frac{d}{2}\right)^2 = 3,1416 \times (0,0065)^2 \approx 1,327 \times 10^{-4}\text{ m}^2$$
  • Lực ép tương ứng: $$F = P \times S = 14000 \times 1,327 \times 10^{-4} \approx 1,86\text{ N}$$
  • Quy đổi tương đương khối lượng: $1\text{ kg} \approx 10\text{ N} \Rightarrow F = 1,86\text{ N} \Leftrightarrow 186\text{ g}$.
  • Dựa trên đường đặc tuyến phân chia điện áp của FSR với điện trở kéo xuống $R_M = 10\text{ k}\Omega$ ở tải 186g, điện áp ngõ ra xấp xỉ $V_{OUT} \approx 2,1\text{ V}$.
  • Giá trị bộ chuyển đổi tương tự - số ADC (12-bit trên thang đo 0 - 5V quy chiếu): $$ADC = \frac{2,1\text{ V}}{5\text{ V}} \times 4095 \approx 1719$$ Khi giá trị đọc ADC từ chân G34 vượt qua ngưỡng 1719, vi điều khiển lập tức dừng phát xung động cơ, ngắt nguồn Driver và kích hoạt chuông còi cảnh báo.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 giới thiệu lý do chọn đề tài, tính cấp thiết của việc tự động hóa quá trình tiêm truyền trong y tế và xu hướng phát triển của thị trường bơm tiêm điện với tốc độ tăng trưởng CAGR 7% (2022 - 2027). Tác giả tổng hợp các nghiên cứu tiền đề về bơm tiêm điện giá rẻ, ứng dụng bolus liều cao và các ứng dụng kết nối IoT từ xa. Từ đó, chương xác định mục tiêu thiết kế mô hình bơm tiêm điện điều khiển không dây qua smartphone, phân tích 7 nội dung nghiên cứu chính, nêu rõ giới hạn kỹ thuật (chỉ áp dụng ống tiêm 10ml, kết nối Wi-Fi cục bộ, chưa thử nghiệm trên người) và trình bày bố cục 6 chương của toàn bộ khóa luận.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 trình bày tổng quan các kiến thức nền tảng:

  • Phân tích sự khác biệt giữa tiêm thủ công và tiêm bằng bơm tiêm điện (độ chính xác, độ ổn định nồng độ thuốc, khả năng cảnh báo sự cố).
  • Khảo sát các dòng máy bơm tiêm điện y tế trên thị trường và 3 phương pháp điều khiển phổ biến: điều khiển bằng phím bấm vật lý, điều khiển từ xa qua sóng không dây và điều khiển qua màn hình cảm ứng.
  • Phân tích chi tiết giao thức truyền thông HTTP, cấu trúc của một bản tin HTTP Request (Request Line, Header, Request Body) và các phương thức truyền tải (GET, POST, PUT, DELETE,...), làm cơ sở cho giao tiếp giữa Client (ứng dụng Android) và Server (ESP32).

Chương 3: Tính toán và thiết kế

Chương 3 trình bày chi tiết quá trình thiết kế hệ thống từ sơ đồ khối đến sơ đồ nguyên lý:

  • Phân tích yêu cầu và chức năng của 7 khối: Khối Nguồn, Khối Vi điều khiển (ESP32), Khối Động cơ (Nema 17 + DRV8825), Khối Cảm biến (FSR402 + Module hồng ngoại), Khối Nút nhấn, Khối Hiển thị (LCD 20x4 I2C), Khối Cảnh báo (LED + Buzzer).
  • Trình bày toàn bộ các phương trình toán học tính toán thông số kỹ thuật: cân bằng dòng tiêu thụ (2455 mA), hiệu chỉnh điện áp tham chiếu $V_{ref} = 0,68\text{V}$, xác lập tỷ lệ vi bước $1/32$ ($800\text{ bước/mm}$, $4000\text{ bước/ml}$), công thức tính thời gian trễ giữa các xung bước $t = (15000 \times B)/A\ (\mu\text{s})$, và tính toán ngưỡng áp lực tắc nghẽn $0,14\text{ bar}$ tương đương giá trị ADC 1719.
  • Thiết kế mô hình 3D tổng thể trên phần mềm Solidworks với kích thước khung vỏ $25 \times 20 \times 18\text{ cm}$, bố trí mặt trước hình chữ L nhô ra 7 cm chứa cụm hiển thị/điều khiển, khoang sau chứa động cơ bước, quạt tản nhiệt $5 \times 5\text{ cm}$, trục vitme T8 bước 8 mm và hai thanh trượt dẫn hướng đường kính 8 mm dài 18 cm.

Chương 4: Thi công hệ thống

Chương 4 mô tả toàn diện quy trình chế tạo thực tế phần cứng và phần mềm:

  • Thi công phần cứng: Lập danh mục linh kiện chi tiết, quy trình gia công bo mạch in PCB một lớp qua 6 bước (chà nhám, ủi nhiệt, kiểm tra đường mạch, ngâm dung dịch ăn mòn axit, làm sạch, khoan chân linh kiện và hàn ráp hoàn thiện). Đóng gói bo mạch điều khiển vào thân máy bằng 2 ốc vít M3.
  • Thi công cơ khí: Liệt kê các chi tiết cơ khí (13 tấm mica 3 mm, 1 tấm mica 5 mm, 1 trục vitme T8 dài 10 cm, 2 thanh trượt 18 cm, khớp nối mềm 8x8 mm, 37 bộ bu-lông và ốc vít M3, 13 ke góc chữ L 1,5 cm, gá đỡ cảm biến). Trình bày quy trình lắp ghép khung vỏ 7 bước.
  • Lập trình hệ thống:
    • Viết firmware trên vi điều khiển ESP32 sử dụng môi trường Arduino IDE: xây dựng lưu đồ chương trình chính, chương trình con phân tích yêu cầu HTTP GET từ smartphone, chương trình con phát xung điều khiển vi bước động cơ và thuật toán đọc ADC ngắt cảnh báo lỗi.
    • Lập trình ứng dụng Android trên Android Studio bằng ngôn ngữ Java: xây dựng giao diện nhập thông tin bệnh nhân, cài đặt thể tích ($A$), thời gian ($B$), các phím bấm tinh chỉnh vị trí bàn trượt (Tới/Lùi) và gửi chuỗi dữ liệu cấu hình tới Web Server ESP32.
  • Tài liệu hướng dẫn: Cung cấp quy trình vận hành 8 bước từ bật nguồn, kết nối Wi-Fi, cài đặt trên App, lắp ống tiêm, nhấn START đến khi hoàn tất quá trình tiêm.

Chương 5: Kết quả - Nhận xét - Đánh giá

Chương 5 công bố các số liệu kiểm chứng và kết quả đo đạc thực tế:

  • Thử nghiệm chức năng phần mềm & giao tiếp: Ứng dụng Android kết nối Wi-Fi ổn định với ESP32, truyền tải chính xác chuỗi tham số thể tích và thời gian đã cài đặt lên màn hình LCD của thiết bị.
  • Thực nghiệm đo kiểm tốc độ và thể tích phân liều:
    • Thí nghiệm 1: Cài đặt bơm 2 ml dung dịch nước trong thời gian 1 phút.
    • Thí nghiệm 2: Cài đặt bơm 2 ml dung dịch nước trong thời gian 5 phút.
    • Kết quả ghi nhận vị trí piston di chuyển chính xác khoảng cách 10 mm (tương ứng 2 ml trên ống tiêm 10 ml), dung dịch được bơm hết trong đúng thời gian đã đặt.
  • Thực nghiệm chức năng an toàn:
    • Cảm biến hồng ngoại phát hiện chính xác trạng thái có/không có ống tiêm trước khi cho phép bấm nút START.
    • Cảm biến lực FSR402 ghi nhận giá trị ADC ở điều kiện bình thường thấp hơn nhiều so với ngưỡng 1719. Khi bị tắc nghẽn dòng chảy, áp lực tăng làm ADC vượt ngưỡng 1719, thiết bị lập tức ngắt động cơ, còi hú và đèn LED cảnh báo kích hoạt.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương 6 tổng kết toàn bộ kết quả thực hiện của đồ án so với mục tiêu đề ra ban đầu, chỉ rõ những hạn chế còn tồn tại và đề xuất các hướng nâng cấp trong tương lai nhằm thương mại hóa hoặc đưa vào ứng dụng thực tế.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

  1. Chế tạo hoàn chỉnh phần cứng thiết bị:
    • Hệ thống máy bơm tiêm điện hoạt động ổn định với nguồn 12V - 3A, kích thước $25 \times 20 \times 18\text{ cm}$, kết cấu khung vỏ mica gia công chắc chắn.
    • Bo mạch điều khiển PCB vận hành chính xác các chân I/O, ổn áp L7805CV duy trì nguồn 5V ổn định cho ESP32 và các module phụ trợ.
  2. Khả năng điều khiển truyền động chính xác:
    • Động cơ bước Nema 17 kết hợp Driver DRV8825 ở chế độ vi bước 1/32 đạt độ phân giải dịch chuyển 800 bước/mm, tương đương 4000 bước cho mỗi 1 ml dịch truyền (đối với ống tiêm 10 ml).
    • Vận hành êm ái, kiểm soát trơn tru khoảng cách di chuyển piston mà không phát sinh hiện tượng trượt bước ở dải tốc độ thấp.
  3. Phát triển ứng dụng Android tiện dụng:
    • Giao diện thân thiện cho phép nhập thông tin bệnh nhân, cài đặt trực tiếp thể tích $A$ (ml) và thời gian $B$ (phút).
    • Tích hợp các nút điều khiển di chuyển đầu đẩy tiến/lùi phục vụ việc tháo lắp ống tiêm dễ dàng.
    • Giao tiếp không dây mượt mà qua HTTP GET với ESP32 hoạt động ở chế độ Access Point.
  4. Hệ thống an toàn kép:
    • Cảm biến quang hồng ngoại ngăn ngừa việc khởi động máy khi chưa lắp đặt ống tiêm.
    • Cảm biến lực FSR402 phát hiện tắc nghẽn dòng chảy dựa trên ngưỡng áp lực tính toán 0,14 bar (ngưỡng ADC 1719), kích hoạt còi và đèn LED cảnh báo kịp thời.

Bảng tổng hợp số liệu đo kiểm thực nghiệm

Nội dung kiểm tra Thông số cài đặt Kết quả thực tế đạt được Đánh giá trạng thái
Thí nghiệm bơm 1 Thể tích: 2 ml, Thời gian: 1 phút Piston dịch chuyển 10 mm, bơm đủ 2 ml trong 60 giây Hoàn thành chính xác
Thí nghiệm bơm 2 Thể tích: 2 ml, Thời gian: 5 phút Piston dịch chuyển 10 mm, bơm đều 2 ml trong 300 giây Hoàn thành chính xác, dòng chảy đều
Kiểm tra gắn ống tiêm Chưa gắn ống tiêm Cảm biến hồng ngoại mức HIGH, không cho phép START Hệ thống an toàn kích hoạt
Kiểm tra gắn ống tiêm Đã gắn ống tiêm 10 ml Cảm biến hồng ngoại mức LOW, hệ thống sẵn sàng Chuyển trạng thái hoạt động
Kiểm tra áp lực thường Bơm dung dịch bình thường Giá trị ADC < 1719 Hệ thống vận hành liên tục
Kiểm tra tắc nghẽn Bịt đầu ra ống tiêm Giá trị ADC $\ge$ 1719, ngắt xung động cơ, còi hú, LED nháy Báo động tức thời, dừng máy an toàn

Đóng góp của đề tài

  • Hiện thực hóa thành công mô hình bơm tiêm điện thông minh chi phí thấp, ứng dụng công nghệ vi điều khiển kết nối không dây, phục vụ tốt cho công tác nghiên cứu và giảng dạy trong ngành Kỹ thuật Y sinh.
  • Đơn giản hóa thao tác vận hành của nhân viên y tế thông qua giao diện ứng dụng trên điện thoại thông minh, giảm bớt việc phải cài đặt trực tiếp trên các bàn phím cơ phức tạp của máy.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

  • Phạm vi tương thích cơ khí: Hệ thống mới chỉ được tính toán, thiết kế cơ khí và lập trình cố định cho một loại ống tiêm duy nhất là dung tích 10 ml (10 cc). Chưa hỗ trợ các kích cỡ ống tiêm phổ biến khác (như 5 ml, 20 ml, 50 ml).
  • Vật liệu và độ hoàn thiện cơ khí: Khung vỏ máy được gia công thủ công từ các tấm Mica gắn kết bằng keo dán và ke góc, độ bền cơ học và tính thẩm mỹ công nghiệp chưa cao, chưa đáp ứng các tiêu chuẩn vô trùng và chống va đập trong môi trường bệnh viện.
  • Phương thức kết nối mạng: Kết nối Wi-Fi hiện tại hoạt động theo mô hình Access Point nội bộ giữa điện thoại và ESP32; chưa tích hợp vào mạng LAN bệnh viện hoặc máy chủ đám mây (Cloud) để quản lý dữ liệu tập trung nhiều giường bệnh.
  • Tiêu chuẩn y tế: Thiết bị dừng lại ở mức mô hình nghiên cứu trong phòng thí nghiệm, chưa được kiểm định chất lượng bởi các cơ quan quản lý y tế và chưa đủ điều kiện an toàn để áp dụng trực tiếp trên người.

Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp

  • Mở rộng cơ cấu gá đặt đa năng: Cải tiến khối cơ khí với ngàm kẹp linh hoạt và thuật toán phần mềm cho phép người dùng lựa chọn nhiều loại dung tích ống tiêm khác nhau (5 ml, 10 ml, 20 ml, 50 ml).
  • Nâng cấp kết nối IoT và bảo mật: Xây dựng hệ thống quản lý trung tâm thông qua giao thức MQTT/Websocket kết nối về máy chủ bệnh viện; tích hợp mã hóa truyền thông đảm bảo an toàn thông tin dữ liệu bệnh nhân.
  • Hoàn thiện thiết kế chuẩn y tế: Chế tạo vỏ máy bằng nhựa ABS đúc y tế kháng khuẩn, tích hợp nguồn pin sạc dự phòng (Lithium-ion/LiFePO4) để đảm bảo máy hoạt động liên tục khi xảy ra sự cố mất điện nguồn.
  • Nâng cao thuật toán điều khiển: Ứng dụng giải thuật điều khiển tự động (PID) để bù áp lực và kiểm soát vận tốc dòng chảy siêu mịn ở các mức phân liều cực nhỏ.

Giá trị tham khảo

Tài liệu khóa luận có giá trị tham khảo chuyên môn cao cho các nhóm đối tượng:

  • Sinh viên và học viên ngành Kỹ thuật Y sinh (Biomedical Engineering): Cung cấp tài liệu tham khảo toàn diện từ lý thuyết thiết bị phân phối thuốc, tính toán động học truyền động y tế đến quy trình thiết kế mạch điều khiển và cơ cấu an toàn cảm biến.
  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Điện tử, Cơ điện tử, Hệ thống Nhúng và Tự động hóa: Là tài liệu thực hành mẫu về ứng dụng vi điều khiển ESP32, kỹ thuật điều khiển động cơ bước qua Driver vi bước DRV8825, xử lý tín hiệu cảm biến ADC và lập trình giao tiếp Client - Server với ứng dụng Android.
  • Các kỹ sư nghiên cứu phát triển thiết bị y tế: Có thể khai thác trực tiếp các phương trình tính toán động học vitme ($B = 800\text{ bước/mm}$), công thức chu kỳ xung điều khiển $t = (15000 \times B)/A\ (\mu\text{s})$ và mạch phối hợp trở kháng cho cảm biến lực FSR402 để phát triển các nguyên mẫu máy tiêm truyền tự động.

Câu hỏi thường gặp

1. Động cơ bước Nema 17 và Driver DRV8825 được cấu hình như thế nào và cần bao nhiêu bước xung để bơm 1 ml dung dịch?

Hệ thống sử dụng động cơ bước Nema 17 (góc bước cơ bản $1,8^\circ$, tức 200 bước/vòng) kết hợp module Driver DRV8825 được cấu hình ở chế độ vi bước $1/32$ (thông qua 3 chân điều khiển G18, G5, G17 kết nối các chân M0, M1, M2). Khi đó, số bước trong một vòng quay là $200 / (1/32) = 6400\text{ bước/vòng}$. Kết hợp với trục vitme T8 bước ren 8 mm, số bước để đầu đẩy di chuyển 1 mm là 800 bước/mm. Đối với ống tiêm 10 ml, hành trình dịch chuyển để đẩy 1 ml dung dịch là 5 mm, do đó hệ thống cần phát chính xác $800 \times 5 = 4000\text{ bước xung}$ để bơm được 1 ml dung dịch.

2. Ngưỡng áp lực phát hiện tắc nghẽn được tính toán dựa trên cơ sở nào và giá trị ADC ngắt lỗi là bao nhiêu?

Tác giả xác định mức áp lực tắc nghẽn giới hạn là $0,14\text{ bar}$ ($14000\text{ N/m}^2$). Với diện tích tiếp xúc của cảm biến FSR402 đường kính 13 mm ($S \approx 1,327 \times 10^{-4}\text{ m}^2$), lực ép tác động tương ứng là $F = 1,86\text{ N}$ (tương đương khối lượng ép 186g). Mạch phân áp sử dụng điện trở kéo xuống $R_M = 10\text{ k}\Omega$ với nguồn 5V cho ra mức điện áp ngõ ra $V_{OUT} \approx 2,1\text{V}$ tại điểm tải này. Giá trị ADC 12-bit tương ứng trên ESP32 được tính toán là $ADC = (2,1 / 5) \times 4095 \approx 1719$. Khi đọc giá trị ADC vượt mức 1719, hệ thống sẽ ngắt động cơ và phát cảnh báo.

3. Hệ thống kết nối và trao đổi dữ liệu giữa ứng dụng Android và vi điều khiển ESP32 theo phương thức nào?

ESP32 được lập trình cấu hình hoạt động như một điểm truy cập không dây (Access Point - AP), phát ra một mạng Wi-Fi cục bộ. Điện thoại thông minh kết nối vào mạng Wi-Fi này. Ứng dụng Android (được lập trình bằng ngôn ngữ Java trên Android Studio) gửi các thông số thể tích ($A$), thời gian ($B$) và các lệnh điều khiển vị trí bàn trượt (Tới/Lùi) đến ESP32 thông qua giao thức HTTP bằng các bản tin HTTP Request (phương thức GET). Vi điều khiển ESP32 nhận chuỗi URL, bóc tách các tham số và chuyển đổi thành tần số phát xung điều khiển động cơ.

4. Tổng dòng điện tiêu thụ của toàn bộ hệ thống là bao nhiêu và nguồn cấp được lựa chọn như thế nào?

Theo bảng tính toán của đề tài, tổng dòng điện tiêu thụ ở nhánh điện áp 5V là 165 mA (gồm ESP32: 80 mA, cảm biến hồng ngoại: 43 mA, còi: 22 mA, LED: 10 mA, LCD: 8 mA, cảm biến FSR và nút nhấn: 2 mA). Tổng dòng tiêu thụ ở nhánh điện áp 12V là 2290 mA (gồm Driver DRV8825 và động cơ bước: 2200 mA, quạt tản nhiệt: 90 mA). Tổng dòng tiêu thụ toàn mạch là 2455 mA (~2,46A). Do đó, nhóm tác giả lựa chọn Adapter 12V - 3A để cấp nguồn chính, đồng thời sử dụng IC hạ áp LM7805CV để cấp nguồn cho nhánh 5V.

5. Cảm biến hồng ngoại LM393 đóng vai trò gì trong chu trình vận hành của máy bơm tiêm điện?

Module cảm biến vật cản hồng ngoại sử dụng IC so sánh LM393 được bố trí tại vị trí gá đặt thân ống tiêm và kết nối với chân G35 của ESP32. Cảm biến có nhiệm vụ kiểm tra xem ống tiêm 10 ml đã được gắn đúng vị trí trước khi tiến hành quá trình tiêm hay chưa. Nếu chưa phát hiện ống tiêm (ngõ ra mức HIGH), vi điều khiển sẽ khóa lệnh khởi động từ nút START và hiển thị thông báo yêu cầu người dùng lắp ống tiêm, đảm bảo an toàn cơ học và tránh việc động cơ chạy không tải.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp "Thiết kế và thi công máy bơm tiêm điện điều khiển thông qua ứng dụng trên điện thoại thông minh" đã hoàn thành toàn diện các mục tiêu đề ra về thiết kế phần cứng, gia công mô hình cơ khí và lập trình hệ thống nhúng. Sản phẩm thực nghiệm chứng minh khả năng định lượng dịch truyền chính xác, truyền nhận dữ liệu thông suốt qua kết nối Wi-Fi với ứng dụng Android và vận hành tin cậy cơ chế cảnh báo an toàn kép (phát hiện ống tiêm và ngắt tắc nghẽn). Mặc dù còn một số hạn chế về vật liệu khung vỏ và phạm vi cỡ ống tiêm, công trình là tài liệu tham khảo kỹ thuật có giá trị thực tiễn cao cho sinh viên và kỹ sư nghiên cứu phát triển thiết bị y tế tự động hóa.